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若无任何转基因:基因编辑作物在中国该如何监管
来源:知识分子     2018年04月13日    点击:908

编者按:转基因,让很多人恐惧的是把外源基因转入农作物,例如杀虫的所谓“毒蛋白”,从而持极端反对态度,即使是在科学界公认没有安全问题的时候。当然,还有些人担心所谓百年千年万年的潜在危险。

近年,出现了一类全新的技术,不加任何基因,而是对农作物本身的基因做减法,敲掉一个基因,或者一个基因的一小段,就可以改善农作物的产量或抗病能力。这种改变,特别是小的改变,其实在自然界经常发生。这时,有的人认为应继续坚持反转基因的立场,即使这种技术与以往的转入外源基因完全不同,只要是人工改变就反对,有的人认为完全没有道理反对这种基因修饰,何况技术上无法区分人工制造的基因修饰与自然发生的修饰。

问题是,中国农业已经在错失转基因革命,会不会再次错过潜力巨大的基因编辑作物新技术革命? 中国基因编辑作物的科学研究目前处于国际领先地位,但是如果政策不能遵循科学界共识,而是沿袭转基因以过程为基础的监管框架,无法完成向产品监管的突破和转变,中国作物育种研究和产业应用将拱手让于竞争对手。

2001年国务院颁发的农业转基因生物安全管理条例最近或将面临新的调整,站在十字路口中国基因编辑作物前途如何?

上个月28日,美国农业部部长Sonny Perdue在一项声明中说,一些基因编辑的作物将不受监管。2016年以来,美农业部就放行了一些基因编辑的作物,这次明确表态可说近一步确认了其立场。

对基因工程,包括转基因的监管,美国大体针对产品而非技术。这一策略保证了其农业的全球领先地位。目前看,在基因编辑技术为作物育种带来革命性变化的今天,美国将继续引领世界;相较之下,欧洲和中国已然落后。

(一)变不可能为可能

2014年7月,中科院遗传所高彩霞和微生物所邱金龙课题组合作的研究发表在Nature Biotechnology上。他们创制了一种新型的小麦品种,对白粉病具有广谱和持久的抗性。说来也简单,他们只是在小麦基因组的17000,000,000个碱基中精确地删除了某几个。这在以前是没办法做到的。

在欧洲,广谱抗白粉病大麦品种已在生产中广泛应用。大麦对白粉病的广谱抗性缘于MLO基因的功能缺失突变。而这一突变,本来存在于非洲野生大麦中,后来被育种家发现后,通过杂交的方式引入到欧洲种植的大麦中。而且自那以后,虽经过三十多年的生产应用,这种抗性依然有效。可问题是,大麦和小麦虽然亲缘关系近,却存在生殖隔离,无法杂交。

如何让小麦也获得对白粉病的广谱抗性呢?

2010年,运用新出现的基因编辑技术TALEN,他们合作解决了这一难题。“小麦是六倍体(AABBDD),在普通小麦A,B,D基因组上MLO基因各有一个拷贝,我们利用基因组编辑技术首次对这三个拷贝同时进行了突变,获得了对白粉病有广谱抗性的小麦。” 邱金龙告诉《知识分子》。

通过这一实验,他们还明白了为什么小麦不会通过天然突变获得和大麦一样的广谱抗性。在实验中,他们获得了35个MLO基因的突变体,有单拷贝,双拷贝,也有三拷贝的突变。他们将这些突变体近一步自交,获得了MLO基因不同组合的纯合突变体后代(aa, bb, dd, aabb, aadd, bbdd, aabbdd),才发现只有aabbdd,也就是MLO基因在小麦A、B和D基因组上的三个拷贝同时突变的植株才有广谱抗性。

“大麦是二倍体,小麦是六倍体,每个基因组有三个拷贝,就有六个等位基因。自然状态下,六个等位基因同时突变的几率几乎是零,这就是为什么不存在天然突变的MLO广谱抗白粉病的小麦。”邱金龙说。

(二)类天然突变

让精确改变DNA序列成为可能,基因定点编辑技术正掀起一场农业革命。创制抗白粉病的小麦,只不过是小试牛刀罢了。

基因编辑技术得益于几种核酸酶的设计与使用。这些核酸酶的共同特点是,它们可以在你想要的DNA位点处产生双链断裂,可以理解为“指哪打哪”。随后,细胞内的固有修复机制被激活,对损伤处产生有效的基因修改。目前常用的几种核酸酶包括锌指核酸酶(简称ZENs),类转录激活因子效应物核酸酶(简称TALENs)和基于CRISPR/Cas系统的由RNA引导的内切酶,都能在DNA的特定位点进行切割。

细胞内对DNA双链断裂的修复有两条途径:一种叫非同源末端连接,简称NHEJ;另一种叫同源重组,简称HR。相比较,NHEJ是主要的修复机制,通常带来的是少量碱基的丢失,很少情况下也会有碱基插入。

由于NHEJ实现起来相对简单,大多导致基因敲除,使得它成为研究基因功能的良好手段。在了解了基因功能,预先决定好该对DNA序列进行怎样的修改后,就可以再利用基因编辑技术精确而快速的产生突变。

基因敲除,让其丢失功能看起来好像没什么用,但其实有的植物会产生毒性物质或过敏原,需要在食用前剔除。另外,植物本身也会产生一些影响产量、储存和加工的物质,剔除也会带来好处。例如,2016年,美国宾州州立大学的植物病理学家杨艺农便利用了基因编辑技术敲除了蘑菇中编码多酚氧化酶(PPO)六个基因中的一个,创制了抗褐化的蘑菇,利于储藏和运输。

更为惊奇的是,敲除某些基因还可能增加营养物质,如种子中某些脂肪酸去饱和酶的缺失可以让单不饱和脂肪累积,这样从突变种子中提取的油脂就更健康,保质期也更长。

这样的突变体,其结果只是缺失了几个碱基,已经和自然突变,以及用化学试剂,X-射线等人工诱变产生的突变体没有区别,不可区分。“这也给检测带来了困难,因为二者很难做出区分。”清华大学教授谢震向《知识分子》表示。

2015年,英国的植物分子遗传学家Huw D. Jones在Nature Plants发表的一篇评论中指出,除了用文档纪录新的性状外,根本无法清楚做出区分,因此如果考虑到全球贸易,欧盟将处于监管的两难境地:“如果进口已有基因编辑作物种植的国家的产品,要不对可能运过来的没有获准的产品睁一只眼闭一只眼,不把这些产品当做是基因修饰的作物,要不就得全部禁止从这些国家进口商业化作物,不管是否掺杂基因编辑的产品”。

事实上,对于上述基因敲除的蘑菇,玉米,美国农业部已经表示不在其监管范围之内。

“我们把它们称之为类天然突变。” 邱金龙说。实际上,不仅最终的产品与常规育种的类似,运用基因编辑技术还更精确,更简单直接;而传统的杂交往往导致基因组大片段的交换,即使是诱变育种也导致随机的几千个突变,需要大规模的后代筛选,费时费力。

(三)无任何转基因

当然,如果细究广谱抗白粉病小麦的创制过程,则并非“无懈可击”。主要的问题是,核酸酶是蛋白,如果该蛋白的编码DNA,或者连同携带这段DNA的质粒导入了植物细胞,随机整合进了植物的染色体中,那也是有外源DNA的插入了。

一个解决办法是,在核酸酶表达和植物生成之后,进一步筛选把含有重组DNA的植物去除。能做到这点缘于起初设计的两个位点并不挨在一起。这两个位点,一个是插入核酸酶的编码DNA的位点,另外一个是核酸酶的作用位点。这两个位点离得较远,即使核酸酶的编码DNA整合到了植物的染色体中,之后也可以通过回交分离,留下仅携带期望的DNA序列改变的植株后代。

不过,杂交筛选的过程比较费时费力。而且,核酸酶的DNA的稳定表达会增加脱靶以及嵌合体发生的概率。脱靶和核酸酶的特异性相关,指的是由于某些DNA片段的相似,核酸酶“不小心”把类似的位点也切割了。

好在基因编辑技术的快速发展已经可以实现所谓的“瞬时表达”,克服了以上所说的这些缺点,而且彻底杜绝了转基因。

第一种方式,使用农杆菌,基因枪或原生质体转化将核酸酶的编码DNA或RNA传递至植物细胞。当将核酸酶的编码DNA构建体运送至细胞时,瞬时表达常常产生。在表达完核酸酶之后,DNA构建体迅速降解,没有机会整合入植物基因组。

一个例子是,在2016年8月份,高彩霞研究组通过CRISPR/Cas9 DNA或RNA瞬时表达,对六倍体小麦及四倍体小麦的7个不同基因进行了定点敲除,直接得到了不含外源基因的小麦纯合敲除突变体,而且没有检测到脱靶效应。“这就是瞬时起的作用,就相当于挥舞大刀砍人,砍到了敌人,但也伤到了朋友,砍敌人时间越长,伤到朋友的概率就更大。所以,瞬时表达就会降低脱靶,也表明准确性更高。” 邱金龙说。

不过,CRISPR/Cas9 DNA进入细胞后,也有可能把降解后的小DNA片段整合到植物的基因组中,如何从根本上杜绝DNA或RNA进入细胞呢?

升级后的方法就是把核酸酶以蛋白质的形态直接运送至植物细胞。目前,通过基因枪直接将在体外组装成的核糖核蛋白复合体(由Cas9蛋白和引导RNA组成)运送到玉米的胚胎中,并生成了不含转基因的玉米。高彩霞团队也用了类似方法,在六倍体小麦中实现了定点编辑,这样生成的小麦不仅从最终产品上无外源DNA,而且在整个的创制过程中,全程无外源DNA。

同样强大的还有目前快速发展的碱基编辑技术,可以直接改变碱基而无需导入DNA。高彩霞在今年2月发表于Nature Reviews Molecular Cell Biology的一篇评论中表示,虽然当前的碱基编辑仅能把C转换成T,A转换成G,而且序列编辑的窗口也比较窄,但是这些限制可能在未来的一年时间内得到克服。

“还有一些表观遗传修饰的技术,DNA序列根本没有改变,但也会产生新的性状,也无法检测出来。”谢震说。当然,表观遗传修饰技术,如RdDM,产生的植物是否可以称为突变体也值得商榷,因为核苷酸序列并没有发生任何的改变。

总之,基因编辑技术的发展已经不仅可以获得无转基因的植物,而且全程都不涉及转基因。

(四)根本性的错误

然而,如果讨论的是另外一种修复途径HR,问题可能会变得复杂。HR通过基因替代或者插入来实现精确的基因编辑,不可避免需引入与断裂处原序列类似的DNA修复模版。该模版通过同源重组拷贝到染色体处,达到修复目的。

HR潜力巨大。传统的转基因,外源基因随机整合进基因组,而靶向转基因插入的位点则是提前确定可知的。此外,还可以一次性将多个转基因插入同一个位点(堆叠)。不仅是添加基因,HR也可以通过改变基因编码区的关键氨基酸残基,或者改变启动子或控制基因表达的其它顺式作用元件(cis element)获得新的性状。比如,为了让作物获得耐除草剂的特性,就可以将其中乙酰乳酸合成酶(ALS)的某个氨基酸替换,HR就可以做到这点。

碱基的插入和替换,有可能触发监管。不过,若与传统的杂交育种相比,如果是将自然界中已经存在的可杂交物种中的同源基因定向导入,则没有理由不接受这样的作物——因为,原则上讲,这样的作物用杂交育种也能做到,只不过更加耗时。更为棘手的是,没有办法可以在这两种方法创制的产品之间做出区分。唯一的不同是,传统杂交耗时,准确性低,经常连带将附近的一大段DNA也引入了进去,可能有副作用产生。

那么,如果通过HR导入的是可杂交的物种的同源基因,不是不可杂交的物种的外源DNA,是否可以获得豁免呢?另外,到底多大数量的碱基改变才触发监管呢?这些问题仍然悬而未决。

不过,在一些专家看来,考虑技术实现过程中是否涉及到转基因,这样的思路从本质上就是错误的。2016年,美国竞争性企业研究所的Gregory Conko和另外三位学者重申了1997年提出的“斯坦福模型”不仅继续适用,而且是不依赖于技术的变化的。他们指出:“现存基于过程的监管的更大的缺点是,它们总是落后于新技术的引入。一个例子是CRISPR-Cas9和其他基因编辑技术的发展,已经引起了如何进行监管的辩论。这些完全摸不着北的辩论经常集中在探讨应用这些技术修饰的作物到底应该归到哪种假想的类别里,比如是不是转基因,是不是某种监管类别,或者是不是属于含有抗虫物质的植物”。

Gregory Conko等人强调,监管必须集中在实际的风险,而风险只是由经过修饰的最终产品所带来的,与所使用的方法毫无关系。对最终产品进行评估而不是对创制产品的过程进行监管代表了科学界的主流意见。

(五)悲惨故事

2009年,当邱金龙从欧洲回到中国,准备用新出现的基因编辑技术TALEN来创制对白粉病有广谱抗性的小麦时,他的合作者高彩霞也在这一年,从欧洲回到了中国。此前,她在丹麦DLF-Trifolium公司科研部任研究科学家,课题组长。

欧洲对转基因的保守,已经导致其产品开发和产业的落后,因此,当基因编辑以及其它新的育种技术兴起时,欧洲的科学家都热心探索,以求规避监管,赢取公众支持。他们最终的目标是欧洲能从过程监管转向产品监管,但现实来看只能是希望部分的定点基因编辑产品不会纳入转基因监管。

早在2011年,欧盟便有了一系列新育种技术的监管讨论,还召开了一次国际研讨会,对定点基因组编辑技术做了几种分类,给出了监管建议。然而,欧盟的迅速反应并没有扭转局势,几年下来,甚至连基因编辑技术的研究都受到了影响,更遑论应用。

“在欧洲,我们去介绍的时候,科研人员还不习惯使用这一新技术,在欧洲相对比较保守。在中国,我们的植物基因组编辑研究在国际上还是领先的,并且得到了快速、广泛的应用。”邱金龙说。数据显示,从2007年到2011年,35%的基因编辑的科学出版来自欧洲,但之后被美国超过,有评论认为,这或许是得益于美国对于技术创新更加开放和宽容的环境。

Gregory Conko等人认为,与欧盟相比,美国对待基因工程技术的态度相对要宽松。美国食药监局一直把重组DNA技术获得的食物和饲料与传统育种技术所获得的产品对等,集中评价其产品,通过非正式的咨询考虑其组分的等同性、毒性、过敏性、抗营养等方面。美国环保署集中考虑抗虫特性,关注“植物杀虫剂”——也就是表达的抗虫蛋白对环境的影响。而作为框架领头的监管机构,美国农业部发明了“植物害虫”(Plant pest)一词,关注在基因工程作物的创制过程中,是否用到了植物病原体。对于新兴的植物编辑技术,目前,白宫命令农业部,食药局,环保署更新其生物技术监管的协调框架来应对新技术的变革,与此同时广泛收集民众的意见。

传统育种已经无法满足不断增长的食物需求和气候变化等环境挑战。如果还是通过发现自然的变异后杂交育种,甚至加上60年前发展的诱变育种,作物改良也将不可持续。“传统的杂交育种,假设很幸运能找到一个抗病植株,但一般它产量不高,那就需要和产量高的进行杂交,假设能够杂交,还要经过多代的优化分离,一般要至少十年以上。”邱金龙说。

作为传统技术的补充,上世纪90年代发展出来的转基因技术,创制了一大批抗虫抗病,抗除草剂,富含某些营养元素的品种,已有长达23年的商业化种植历史。根据国际农业生物技术应用服务组织(ISAAA)发布的数据,2016年全球26个国家转基因作物的种植面积超过1.8亿公顷,而在美国,90%以上种植的大豆和玉米包含了一个或多个转基因,使得它们能抗虫或者除草剂。

然而,欧洲的科学家Maria Lusser等人2012年发表在Nature Biotechnology的一篇文章指出,不利的监管环境导致的高成本(每转基因事件3500万美元)和费时(需要5.5年才能完成),使得只有一些高利润的作物获得大规模种植,如棉花,大豆和玉米;一些冷门的作物比如蔬菜和园艺品种则无人问津。

“我觉得基因编辑如果法规足够宽松,不需要大公司去做,很利于中国的小公司去创新。我们给科学院写过材料,用了一个很俗的名词,说可以实现中国育种产业的弯道超车;中国有2000多家种子公司,大都是小公司,没法和国外的跨国公司竞争。” 邱金龙向《知识分子》表示。

能否建立以科学为导向,以产品为基础的管理体系已经摆在了各国政府面前。在植物育种领域,我们正站在一个变革的十字路口,也许是一场双重的范式转换:一方面,潜力巨大的植物编辑技术正在革新行业面貌;另一方面,以过程为基础的监管策略已经不合时宜。

对转基因谈虎色变的中国将如何应对?目前《知识分子》了解到信息十分稀少且含糊——我们只能从一些学术会议上听到只言片语的“建议”,即使是这个领域的科学家,也因种种原因,一直“小心谨慎”,讳莫如深。而诞生于中国实验室的广谱抗白粉病小麦,因无需受到转基因的监管,正茁壮地生长在美国的试验田里。

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关键词: 转基因 作物 监管

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